KR100853971B1 - 폐기 글라스로부터 제품을 제조하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저비용의 제조 프로세스로 대량의 폐기 글라스를 유용한 세라믹 제품으로 변형하기 위한 방법을 제공한다. 본 방법의 주요 단계는 글라스 분말을 건조 준비하는 단계, 비수용성 유기 바인더 시스템으로 입상화하는 단계, 적절한 그린 강도로 건조 프레싱하는 단계, 및 저온에서 소성하는 단계로 이루어진다. 본 프로세싱에서는 물과 점토를 필요로 하지 않아, 과거 발생되었던 문제가 없어진다. 약 750 ℃ 의 낮은 피크의 소성 온도로 소성하는 방법만이 필요하다. 이 방법은 과거 점토계 세라믹 제조 시에 비하여 에너지 및 천연 자원을 보존한다. 본 발명에서는 소량의 기공만을 갖는 고품질의 불침투성 세라믹을 제조할 수 있다.

폐기 글라스

Description

폐기 글라스로부터 제품을 제조하는 방법 {METHOD FOR MAKING PRODUCT FROM WASTE GLASS}

본 발명은 폐기 글라스로 이루어지는 세라믹 제품, 폐기 글라스에서 세라믹 제품을 제조하기 위한 원료 배치 제형, 및 폐기 글라스에서 세라믹 제품을 제조하는 방법에 대한 것이다. 본 발명에서 제조될 수 있는 세라믹 제품의 예는 타일 및 벽돌이지만, 다른 세라믹 제품들을 또한 제조할 수 있다. 본 발명은 세라믹 산업에 의해 에너지 사용을 감소시키는 문제, 및 새로운 재활용 글라스 제품의 필요성 문제의 2 가지의 문제를 다룬다.

세라믹 산업은, 특히 소성 처리 시 많은 양의 에너지를 소모한다. 통상의 세라믹 원료를 치밀한 제품으로 소결하기 위해서는, 1200 ℃ (2200 ℉) 이상의 소성 온도가 필요하다. 원료 배합 방식의 개선은 소성 온도 감소로 이르도록 하였지만, 이용되는 원료 타입으로 인하여 개발시 제약이 뒤따르게 된다. 가장 일반적인 세라믹 제품인 타일과 벽돌은 주로 점토계 재료로 이루어지며, 이들은 본래부터 고온의 소성 온도를 필요로 한다. 건조 프로세스와 같은 다른 세라믹 제조 단계 또한 매우 에너지 집약적이다. 에너지 비용은 총 제조 비용 중 큰 비중을 차지하며, 필요한 에너지량을 감소시키기 위한 새로운 방법은 세라믹 산업 에 큰 이익이 될 것이다.

오직, 제한된 양만의 글라스를 재용융하여 새로운 저장기 (재활용된 글라스의 현재의 초기적인 이용) 를 제조할 수 있기 때문에, 글라스 재활용을 더욱 증진시킬 수 있는 재활용된 폐기 글라스를 이용한 새로운 제품이 필요하다. 특히, 글라스의 오염물에 덜 민감하고, 녹색 또는 혼합 색상의 폐기 글라스로 이루어질 수 있는 새로운 제품이 필요하다. 연구를 수행한 결과, 재활용된 글라스를 세라믹 원료로 이용하는 제품을 개발하였다. 그러나, (새로운 글라스 제품을 성형하기 위한 재용융 단계를 제외한) 프로세싱 문제가 개발에 제약을 주기 때문에, 현재에는 매우 적은 양의 폐기 글라스만을 이용할 수 있다. 이러한 문제는 기존의 세라믹 원료 및 제조 방법과의 화학적 및 제조상 호환성의 결여로 인해 발생된다. 이러한 호환성의 결여는 폐기 글라스로부터 세라믹 제품으로의 개발에 크게 악영향을 미친다.

본 발명의 폐기 글라스는 폐기된 산업형 글라스 또는 후-소비자형 글라스라 한다. 임의의 형태의 저장기와 같은 글라스 (병, 단지 등), 판평 글라스, 화이버 글라스를 이용할 수 있다. 폐기 글라스는 재활용 회사 또는 글라스 제조사로부터 획득될 수 있다. 대부분의 폐기 글라스는, 알루미늄 및 망산 옥사이드와 같은 다른 소량의 조성물과 함께 실리콘, 소듐, 및 칼슘 옥사이드 (소다-석회 글라스라 함) 로 주로 이루어진다. 소다-석회 글라스 조성물은 통상 약 650 ℃ 내지 약 750 ℃ 에서 연화된다. 이러한 고유의 연화 거동은, 소다-석회 글라스의 미세 분말로부터 형성되는 제품이 파인 세라믹 제품에 대해 통상 필요한 온도보 다 매우 낮은 온도에서 소결되는 점성을 갖는 상에 의해 치밀화되도록 한다. 본 발명은 소다-석회 글라스의 저온 치밀화 거동을 이용하여, 에너지를 보존하여 제조 비용을 감소시키고 장치 및 보수 비용을 절감함으로서, 제조 비용을 감소시킬 수 있다.

물, 점토, 몇몇 다른 통상의 세라믹 원료는, 본래 저온에서 소다-석회 글라스 분말을 소결하는 공정과 호환성을 갖지 않는다. 이는 물과 글라스의 반응, 또한 점토의 분해로부터의 반응을 생성하는 화학종이 소다-석회 글라스가 연화되는 온도 범위에서 휘발되기 때문이다. 휘발성종은 치밀화된 글라스에 포획되어, 최종 제품의 기포 또는 기공성 결함을 생성한다. 이전의 폐기 글라스계 세라믹 제품은 물과 점토를 추가하여 이루어졌다. 생성된 기공성 결함은 프로세싱 파라미터를 최적화하여 최소화되었지만, 제거되지는 않았다. 다음의 단락에서는 세라믹 원료와 같은 폐기 글라스를 이용하고자할 때 발생하였던 이전 프로세싱의 문제점을 설명한다.

Brown 및 Mackenzie [J. of Materials Science, Vol. 17, pp. 2164-2193, 1982] 는 점토와 물을 재활용된 글라스와 화합시켜 세라믹 타일을 제조하였다. 발생되었던 기공량의 변동으로 인하여, 추가되는 점토와 물의 양에 의해 소성된 특성이 크게 영향을 받는다는 것을 발견하였다. Low [J. of Materials Science, Vol. 15, pp. 1509-1517, 1980] 는 글라스에 거품을 생성시키는 칼슘 카르보네이트와 같은 특별한 발포제가 필요하지 않다는 것을 입증하였다. 점토에서와 유사하게, 글라스-물 반응과 화합되었던 운모 분해로부터의 휘발성종, 휘발성종 모두는 심한 발포가 생성되었다.

Liu, Li 및 Zhang [Glass Technology, Vol.32, No.1, pp. 24-27, 1991] 은 유기 바인더 및 물을 갖는 프로세스 재활용되는 글라스 분말을 프로세스하는 방법을 연구하였다. 이들은 소성된 시료의 기공생성과 "열등한 화학적 특성 및 물리적 특성" 을 방지하기 위하여, 바인더 (및 물) 함유량을 낮게 유지해야 한다고 보고하였다. 심지어 낮은 수분 함유율에 의해서도 소성된 시료의 밀도는 어느 정도의 거품 형성을 나타낸다. 이 작업은, 심지어 점토를 첨가하지 않고 소량의 물을 첨가할 때에도, 글라스 분말과 물 사이의 반응에 의해 역효과가 발생한다는 것을 입증한다.

여러 특허가 세라믹 원료로서 재활용된 글라스를 이용하는 것에 관련된다. Shutt 및 Campbell [미국 특허 제 3,963,506호] 은 그라인딩된 폐기 글라스를 점토, 파쇄된 벽돌, 및 물과 혼합하여 판넬과 벽돌을 적층시켜 제조하였다. 소성된 재료는 개방형 기공성 (open porosity), 휨과 팽창 문제를 가짐으로써, 불리한 글라스-물 반응 발생을 나타냈다. Mackenzie [미국 특허 제 3,963,503 호] 는 처리제와 그라인딩된 폐기 글라스를 화합하여 글라스 제품을 제조하는 방법으로 특허를 받았다. 이 작업은, 발생되었던 문제들의 이점을 갖기 위하여, 발포형 글라스에 주로 초점을 맞추었으며, 발포형 글라스에 초점을 맞춰 완성되었던 재활용된 글라스에 대한 여러 연구 중 대표적인 것이다.

Boyce [미국 특허 제 4,271,109 호] 는 점토와 규회석과 함께 조각난 스크랩 글라스 25 내지 45 % 를 혼합한 전기 램프 베이스에 대한 세라믹 절연체 제조 방법에 대한 특허를 받았다. 1050 ℃ 로 소성한 후, 1.9 g/cc 의 밀도를 나타냈으며, 20 % 이상의 기공성이 남아있는 것을 나타냈다. Cihon [미국 특허 제 5,028,569 호] 는 점토, 플린트 (flint), 및 액체 (예를 들어 물을 이용함) 와 혼합된 60 내지 85 % 의 소다-석회 글라스 컬릿으로부터 세라믹 제품을 제조하는 배치 제형 및 방법을 특허 받았다. 그는 물과 글라스의 반응으로 인하여 발생되는 문제를 설명하였다.

Dutton [미국 특허 제 5,244,850 호] 은 슬레이트 입자와 화합되는 재활용된 10 내지 50 % 의 재활용된 글라스로 이루어지는 적층 재료를 특허 받았다. 2 가지 프로세스를 설명한다. 첫번째 프로세스는 재활용된 글라스를 용융하고, 슬레이트 입자에 혼합하며, 몰드에 용융된 혼합물을 프레스하는 방법과 관련된다. 두번째 프로세스에서, 재활용된 글라스와 함께, 또는 첨가하지 않고, 슬레이트 입자를 소듐 실리케이트 (워터 글라스) 와 같은 알칼리 금속 실리케이트 수용액 또는 서스펜션과 혼합하고, 몰드에서 프레스하고 건조한 후, 920 ℃ 및 1050 ℃ 에서 소성하였다. Ligart [미국 특허 제 5,536,345 호] 는, 모래로 이루어지는 하부층, 모래와 파쇄된 글라스로 이루어지는 중간층, 파쇄된 글라스로 이루어지는 상부층의 3 개의 층으로 이루어지는 데코레이션 재료들과 천연석 타입, 패널 타입의 구성을 제조하기 위한 프로세스를 특허 받았다. 글라스를 2 내지 3 mm 의 크기로 파쇄하고, 5 % 이상의 물과 혼합하였다. 이 층을 몰드에 증착하고, 600 내지 850 ℃ 로 몰드에서 소성한 후, 다른 온도에서 정교하게 유지한 후 조심스럽게 냉각하였다.

Golitz 등 [미국 특허 제 5,583,079 호] 은 플라이 애쉬, 점토, 및 물과 함께 혼합되는 25 내지 50 % 글라스로 구성된 세라믹 타일 제품을 특허 받았다. 이 작업은 플라잉 애쉬를 이용하여 원료의 비용을 감소시키는데 초점을 두었다. 프레스된 그린 타일에 유약을 칠한 후 970 내지 1025 ℃ 에서 소성하였다. Greulich [미국 특허 제 5,649,987 호] 는 모래와 무기 색소와 같은 다양한 다른 화합물과 물이 혼합된 85 내지 98 % 글라스로 이루어지는 천연석과 유사한 데코레이션 재료와 관형상의 적층체를 제조하는 방법을 특허 받았다. 이 혼합물을 몰드에 증착하여, 720 내지 1100 ℃ 에서 소성하였다. 폐쇄형 기공을 갖는 광택을 갖는 표면이 생성되었으나, 표면을 폴리싱하자 기공이 나타났다. Lingart 및 Tikhonova [미국 특허 제 5,792,524 호 및 제 5,895,511 호] 는 글라스, 모래, 물, 및 소듐 실리케이트 (워터 글라스) 용액의 혼합물로부터 세라믹 타일을 제조하는 프로세스를 특허 받았다. 이 재료를 몰드에 프레스한 후, 비교적 복잡한 절차에 의해 몰드에서 소성하였다. 저자는 소성 동안 층들 사이의 온도 차이를 조절함으로써, 기공을 형성시켜 이를 표면으로 상승시키는 것에 대해 개시하였다.

본 발명은 전술하였던 종래의 프로세싱 문제를 해결한다. 본 발명은, 물과 점토를 첨가하지 않고 100 % 폐기 글라스까지로 고품질의 세라믹 제품을 저렴하게 제조할 수 있기 때문에 신규성을 갖는다. 본 발명은 통상의 세라믹 프로세스 방법에 비해 에너지와 천연 자원을 보존한다. 타일 또는 벽돌과 같은 저비용의 세라믹 제품을 제조하기 위해 물과 점토를 첨가하지 않고 폐기 글라스를 원료 로 이용하는 것을 예상하지 못하였다. 또한, 전체 제조 비용을 낮추면서 폐기 글라스를 세라믹 제품으로 제조하기 위하여 비수용성 유기 바인더 시스템을 이용할 수 있다는 것을 예상하지 못하였다.

본 발명은 저 비용의 고도로 자동화된 제조 프로세스에 의하여, 많은 양의 폐기 글라스를 유용한 세라믹 제품으로 변환하기 위한 방법을 제공한다. 이 방법의 주요 단계는 글라스 분말의 건조 준비, 비수용성 유기 바인더 시스템에 의한 입상화, 적절한 그린 강도에 의한 건조 프레싱, 및 저온에서의 소성으로 이루어진다. 100 % 까지 재활용되는 폐기 글라스를 원료로서 이용할 수 있다. 이 프로세스에서는 물과 점토가 필요하지 않으므로, 과거 발생되었던 문제가 해결된다. 프레싱 단계에서 입상화된 분말을 생성하기 위해 전형적으로 필요하였던 스프레이 건조 단계를 필요로 하지 않는다. 세라믹 제품을 소성하기 위한 몰드 또한 필요하지 않다. 소성 단계는 약 750 ℃ 의 낮은 피크의 소성 온도만이 필요하다. 본 발명의 방법은 점토 기반의 전형적인 세라믹 제조 시보다 에너지와 자원을 보존한다.

본 발명에 의해 저 비용으로 고품질의 불침투성 세라믹 제품을 제조할 수 있다. 작은 양의 기공성만을 갖는 세라믹 마이크로구조를 또한 달성할 수 있다. 불침투성이란 0.5 % 미만의 매우 낮은 흡수성을 갖는 세라믹 제품을 말한다. 고 품질의 특성을 달성하기 위해 적은 양의 기공성을 갖는 불침투성 세라믹 마이크 로구조가 중요하다. 본 발명에 의해 보다 다양한 범위의 컬러를 갖고 매끄러운 광택을 갖는 유약 처리된 표면을 갖는 세라믹 제품을 제조할 수 있다. 필러를 첨가하거나 및/또는 글라스의 부분 결정화에 의해 표면 텍스쳐와 다른 소성된 특성을 조절할 수 있다.

본 발명의 원료 배치 제형은 70 내지 99 % 폐기 글라스, 0 내지 20 % 필러, 및 1 내지 10 % 유기 바인더로 이루어진다. 바람직한 원료 배치 제형은 84 내지 99 % 폐기 글라스, 0 내지 10 % 필러, 및 1 내지 6 % 의 유기 바인더로 이루어진다. 모든 퍼센트는 질량에 기초한다. 또한, 습윤제, 계면활성제, 새교제, 응고제, 응집제, 가소제, 소포제, 윤활제, 방부제 등과 같은 다른 통상의 세라믹 프로세싱 첨가제를 원료 배치 제형에 첨가하여, 본 발명의 범위를 변경하지 않고 프로세싱을 더욱 최적화할 수 있다.

소성 시 유기 바인더 및 다른 유기 첨가제 (포함하는 경우) 가 태워져서, 최종 제품에 잔존하지 않는다. 폐기 글라스 및 필러는 소성 이후에 잔존하는 무기 성분이며, 최종 제품 조성을 구성한다. 따라서, (전술한) 초기 원료 배치 제형은 소성 동안 변형되어, 최종 제품 조성은 80 내지 100 % 폐기 글라스와 0 내지 20 % 필러로 이루어진다. 바람직한 최종 제품 조성은 90 내지 100 % 의 폐기 글라스와 0 내지 10 % 의 필러로 이루어진다. 최종 제품 조성은 원료 배치 제형으로부터 유기 바인더의 양을 감산한 후, 남아있는 조성을 100 % 에 대해 표준화하여 결정하였다.

본 발명의 필러는 최종 제품의 컬러, 표면 텍스쳐, 또는 다른 특성을 변경하기 위해 첨가되는 세라믹 원료이다. 필러의 첨가는 고품질의 세라믹 제품을 제조하기 위해 필요한 것은 아니지만, 최종 제품에 특정한 특성을 생성하기 위하여 필요하다. 본 발명에서는 다양한 범위의 필러 첨가제를 단독으로 또는 혼합하여 이용할 수 있다. 컬러를 조절하기 위하여 첨가되는 필러를 착색제라 한다. 넓은 범위의 일반적인 세라믹 착색제를 이용하여 소망의 색상을 갖는 본 발명에 의한 세라믹 제품을 제조할 수 있다. 각각의 옥사이드 착색제의 예에는, 청색을 생성하기 위한 산화 코발트, 녹색을 생성하기 위한 산화 크롬, 및 적색을 생성하기 위한 산화 철이 있다. 글라스 프릿 (frit) 을 형성하기 위하여 종종 용융되는 산화물의 복잡한 화합물에 기초하여 다양한 통상의 착색제를 이용할 수 있다. 컬러와 함께, 표면 텍스쳐와 기계적 특성과 같은 다른 특성을 필러를 추가함으로써 변경할 수 있다. 다른 예의 필러는 알루미늄 및 산화 지르코늄이다.

폐기 글라스 및 필러는 원료 배치 제형에 이용되는 분말 형상이어야 한다. 필요한 분말 입자 크기는 소망하는 최종 특성에 의존한다. 본 발명에 대하여, 폐기 글라스와 필러 파우더는 <30 메쉬 (<0.6 mm) 의 입자 크기를 갖는다. 바람직한 크기는 <100 메쉬 (<0.1 mm) 이다. 또한, 보다 굵은 입자 크기의 필러를 원료 배치 제형에 포함하여 최종 제품의 특성을 조절할 수 있다. 예를 들면, 보다 굵은 필러를 첨가하여, 보다 큰 거칠기를 갖는 표면 텍스쳐를 생성함으로써, 마찰 계수와 슬립 내성을 증가시킨다.

본 발명의 유기 바인더는 무기 폐기 글라스와 필러 입자를 함께 본딩하기 위하여 첨가될 수 있는 임의의 유기 재료로 이루어진다. 먼저, 유기 바인더를 폐기 글라스 및 필러 입자와 혼합하여, 입상화된 프리-플로잉 (free-flowing) 분말을 형성한다. 다음으로, 이 분말을 세라믹 물품으로 성형한다. 성형 단계 후, 취급을 용이하게 하기 위하여 유기 바인더를 통해 소성하지 않은 물품에 충분한 강도를 제공하고, 소성 단계로 이송한다.

유기 바인더의 예는 천연 고무, 셀룰로오스 에테르, 중합화된 알코올, 아크릴 수지, 글리콜, 및 왁스이다. 이하에서 설명되는 본 발명의 예에서는 유기 바인더로서 폴리에틸렌 글리콜을 이용한다. 본 발명의 범위를 변경하지 않고 다른 유기 바인더를 이용할 수 있다. 유기 바인더를 액상으로 하여, 무기 폐기 글라스와 필러 입자를 적시고 유기 바인더로 코팅하는 것이 효과적이다. 실온 (~20 ℃) 에서의 유기 바인더는 액상 또는 고상이다. 고체 유기 바인더를 특정 액상에서 용해하여, 무기 분말과 혼합하고 난 후, 건조시킴으로써, 액체를 제거하여 유기 바인더가 코팅되는 무기 분말을 제조한다. 본 발명에서, 알코올과 같은 비수용성 액체를 이용하여 고체 유기 바인더를 용해한다. 유기 바인더가 액상인 경우, 이 때에는 비수용성 액체를 추가하는 것이 필요하지 않다.

다음의 단락은 본 발명의 방법의 각각의 단계를 상세하게 설명한다. 본 방법의 제 1 단계는 글라스 분말의 건조 준비로 이루어진다. 도시의 고체 폐기물에서 발견한 통상의 용기인 글라스병 및 단지를 초기 글라스로 이용하여 분말을 준비하지만, 다른 형상의 폐기 글라스를 또한 이용할 수 있다. 임의의 컬러 또는 컬러 조합된 폐기 글라스를 이용할 수 있다. 본 발명의 방법은 폐기 글라스의 일반적인 불순물 레벨에 민감하지 않으므로, 글라스의 세정이 필요하지 않다. 글라스 상의 라벨은 제거할 필요가 없다. 2 단계 그라인딩에 의해 폐기 글라스를 분말로 그라인딩한다.

첫번째 그라인딩 단계는 글라스를 <4 메쉬 (<5 mm) 조각으로 파쇄하는 단계로 이루어진다. 통상 이용되는 임의의 타입의 장치를 이용하여 글라스, 로크, 세라믹 원료 등을 파쇄할 수 있다. 파쇄된 글라스를 4 메쉬의 체로 걸러, <5mm 조각을 분리한다. 체를 통과하지 못한 보다 큰 크기 (>5 mm) 의 글라스를 파쇄기로 다시 보내어 크기가 5 mm 보다 작게 될 때까지 글라스를 더욱 파쇄한다. 파쇄 단계 동안 먼지 수집기를 이용하여, 보다 가벼운 라벨 입자를 글라스에서 분리한다. 라벨 입자를 폐기한다.

<5 mm 파쇄된 글라스를 오븐에서 건조한 후, 잔존할 수도 있는 수분을 제거한다. 임의의 타입의 오븐을 이용할 수 있다. 연속적인 프로세스로 셋업할 수 있는 로터리 건조기가 바람직하다. 건조 후, 두번째 그라인딩 단계에서 글라스를 그라인딩하여 크기를 <30 메쉬 (<0.6 mm) 로 감소시킨다. 보다 바람직한 사이즈는 <100 메쉬 (<0.1 mm) 이다. 이 그라인딩 단계에서는 볼밀, 해머밀, 진동밀, 마찰밀, 롤러밀 등의 다양한 타입의 밀링 장치를 이용할 수 있다. 밀링 후, 그라인딩된 글라스를 30 메쉬 체 (또는 바람직한 입자 사이즈에 대하여 100 메쉬 체) 를 통하여 거른다. 체를 통과하지 못한 입자는 다시 밀로 되돌아와서 다시 밀링된다. 이 그라인딩 단계 동안 먼지 수집기를 다시 이용하여 보다 가벼운 라벨 입자를 글라스에서 분리한다.

2 단계 그라인딩 방법으로부터 생성되는 미세한 글라스 분말 (<30 또는 <100 메쉬) 을 이용하는 원료 배치 제형에 기초하여 소정의 양의 필러와 유기 바인더를 혼합하였다. 각각의 성분의 양을 저울로 질량을 측정하고, 화합하고, 혼합한다. 초기 바인더가 액상이기 때문에, 또는, 바인더가 알코올과 같은 비수용성액에 용해되기 때문에, 유기 바인더를 액상에 첨가한다. 액체 유기 바인더를 분말 상에 액체를 스프레잉하여 건조 글라스 및 필러 분말과 화합하는 것이 바람직하지만, 원료 배치 재료를 화합하는 다른 통상의 방법을 이용할 수 있다. 화합된 재료를, 입상화된 프리 플로잉 분말을 생성하는 팬 믹서, 원뿔형 블랜더, 리본 믹서, 회전형 드럼 믹서 등과 같은 임의의 타입의 믹서로 혼합한다. 유체 베드 건조기와 같은 건조기에서 건조하거나 스프레잉 건조하여, 초과의 비수용액을 제거할 수 있다. 그러나, 액체 함유물을 충분히 낮게 유지하는 것이 바람직하므로, 스프레잉 단계는 필요하지 않다.

원료 배치 제형의 입상화된 프리 플로잉 분말을 그린 세라믹 제품으로 성형한다. 여기서 그린이란 소성되지 않은 세라믹을 의미한다. 임의의 타입의 성형 방법을 이용할 수 있지만, 건조 프레싱을 이용하는 것이 바람직하다. 건조 프레싱을 위하여, 분말을 소정의 형상의 금속 다이에 위치시키고 램으로 프레스하여 분말을 조밀화시킨다. 다음으로, 프레스된 제품을 다이에서 제거하여, 가마 또는 로에서 소성한다. 비수용성 액체를 첨가하여 바인더를 용해하는 경우, 임의의 잔류하는 액체를 제거하기 위한 소성 단계 전에 오븐에서의 추가적인 건조 단계를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 추가적인 액체가 포함되어 있지 않거나 (액체 바인더를 이용하는 경우), 또는, 혼합 및/또는 성형 단계 동안 제거되었기 때문에, 건조 단계가 필요하지 않다.

소성 프로세스의 초기 단계는 유기 바인더를 제거하기 위한 바인더를 태우는 단계로 이루어진다. 바인더를 태우는 단계는 소성시 세라믹 제품의 초기 가열 동안 수행된다. 바인더를 태우는 단계 및 소성 단계를 개별 프로세스로 이용할 수 있다. 이 경우, 유기 바인더는 글라스 분말의 연화 또는 소결 이전에 완전하게 제거되어 소성된 제품에서 결함이 진전되는 것을 방지해야 한다. 통상, 유기 바인더는 약 200 내지 400 ℃ 에서 태워진다. 소성 시의 특정한 온도와 시간의 프로파일은 이용되는 원료 배치 제형에 따른다. 지속적으로 0 % 의 기공성이 발생되는한, 필요한 온도와 시간은 최소화되는 것이 바람직하다. 필요한 최대 소성 온도는 약 700 ℃ 내지 약 800 ℃ 의 범위이고, 바람직하게는 약 750 ℃ 이다.

다음의 단락은 본 발명의 16 가지의 예를 제공한다. 본 방법의 대부분의 단계는 각각의 예에 대해 동일하다. 차이점은 사용되는 원료 배치 제형과 유기 바인더 시스템에서 변화를 갖는다는 것이다.

[예 1]

예 1 의 원료 배치 제형은 94 % 의 깨끗한 글라스 분말과 6 % (질량 퍼센트) 의 유기 바인더로 이루어진다. 2 단계 그라인딩 프로세스를 통해 깨끗한 글라스병과 단지로부터 깨끗한 글라스 분말을 준비하였다. 첫번째 단계에서, 폐쇄형 하드 플라스틱 챔버에 글라스를 파쇄하는 기능을 갖는 가정용 파쇄 시스템으로 전체 글라스 저장기를 파쇄한다. 파쇄된 글라스를 6 메쉬 (<3 mm) 를 통해 체질하였다. 두번째 단계에서, <3 mm 글라스 입자를 알루미나 매개물을 갖는 알루미나 볼밀에서 건조 밀링한 후, 100 메쉬 (<0.1 mm) 를 통하여 체질하였다. 글라스 분말을 등가량의 이소프로필 알코올 (99 %) 및 (글라스 총량의) 6 wt% 의 유기 바인더 폴리에틸렌 글리콜 (Union Cabaide 의 PEG-8000) 과 화합하였다. 이 용액을 혼합하고 60 ℃ 의 오븐에서 건조하여, 알코올을 제거하고 100 메쉬 (<0.1 mm) 를 통해 체질하였다. 각각의 시료에 대하여, 수압 프레싱을 이용하여 약 8 그램의 건조 분말을 금속 다이의 1 인치 제곱 당 5000 psi 로 적절하게 프레싱하였다. 프레스된 제품을 프로그램가능한 박스형 로에서 소성하여 유기 바인더를 먼저 태운 후, 소결하여 세라믹 타일을 치밀화하였다. 750 ℃ 의 최대 온도를 1 시간 동안 유지하였다. 타일 시료 결과물은 <0.02 % 의 흡수율, <0.04 % 의 기공율, 및 (이론 밀도의 98 % 보다 큰) 2.47 g/cc 의 밀도를 가졌다. 이 시료는 매끄럽고 유약 처리된 표면을 갖는 광택을 갖는 백색이였다.

[예 2 및 예 3]

예 1 에서 이용했던 깨끗한 글라스 저장기를 예 2 에서는 녹색의 글라스병, 예 3 에서는 갈색의 글라스병으로 교체한 것을 제외하고, 전술한 예 1 과 동일한 절차를 본 예에 대하여 이용하였다. 예 2 의 타일이 녹색으로 착색되고 예 3 이 타일이 갈색으로 착색된 것을 제외하고, 예 1 에서와 같이 고품질의 타일을 생성하였다.

[예 3 내지 예 9]

5 % 의 깨끗한 글라스를 착색 필러로 교체한 것을 제외하고, 예 1 에서 이용한 것과 동일한 절차를 본 예들에서도 이용하였다. 6 가지의 상업적으로 이용할 수 있는 세라믹 착색제를 평가하였다. 예 4 에서는 적색 착색제 (Mason #6031); 예 5 에서는 오랜지색 착색제 (Mason #6121); 예 6 에서는 녹색 착색제 (Mason #6224); 예 7 에서는 청색 착색제 (Mason #6306); 예 8 에서는 갈색 착색제 (Mason #6109); 및 예 9 에서는 흑색 착색제 (Mason #6600) 를 이용하였다. 타일 색상이 이용된 착색제에 대응한다는 것을 제외하고 예 1 에서와 동일한 고품질의 타일을 나타냈다. 이러한 예들은 본 발명에 의해 다양한 범위의 색상을 생성할 수 있다는 것을 입증한다.

[예 10 내지 예 15]

1 % 량의 녹색 또는 갈색 글라스를 착색 필러로 교체했었던 것을 제외하고, 예 2 및 예 3 에서 이용한 것과 동일한 절차를 본 예들에서도 이용하였다. 예 4, 6, 7 에 기재된 바와 같이 동일한 적색, 녹색, 및 청색 착색제를 이용하였다. 예 10 에서는 녹색 글라스와 적색 착색제; 예 11 에서는 녹색 글라스와 녹색 착색제; 예 12 에서는 녹색 글라스와 청색 착색제; 예 13 에서는 갈색 글라스와 적색 착색제; 예 14 에서는 갈색 글라스와 녹색 착색제; 및 예 15 에서는 갈색 글라스와 청색 착색제를 화합하였다. 추가적인 컬러 변경이 생성된 것을 제외하고 전술한 예들에서와 동일한 고품질의 타일을 나타냈다. 이러한 예들은 본 발명에 의해 다양한 범위의 색상을 생성할 수 있다는 것을 또한 입증한다.

[예 16]

유기 바인더 PEG-8000 을 상이한 폴리에틸렌 글리콜 (Union Carbide 로부터의 PEG-300) 로 교체했었던 것을 제외하고, 상기 예 1 에서 설명된 것과 동일한 절차를 본 예들에서도 이용하였다. 예 1 내지 15 에 이용되는 PEG-8000 은 처음에는 고상이기 때문에, 글라스 입자를 적시고 코팅하도록 액체 (이소프로필 알코올을 이용함) 에 용해시켰다. PEG-300 은 처음부터 액상이여서 액체가 필요하지 않았다. 임의의 첨가액을 첨가하지 않고 (글라스양에 기초하여) 6 wt% 의 PEG-300 을 글라스 분말과 화합하였다. 글라스와 PEG-300 을 혼합하고난 후, 바인더를 첨가한 후 이전에 이용된 건조 및 체걸름 단계 없이 프레스하였다. 예 1 에서의 다른 모든 단계를 이용하였다. 예 1 에서와 같은 고품질의 타일을 제조하였다.

전술한 바와 같이 예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였다. 당업자는 다양한 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 다른 변경 및 변화를 가할 수 있다는 것을 이해해야 한다. 예를 들면, 원한다면 유약을 세라믹 제품에 적용할 수 있지만 필요한 것은 아니다. 오직 1 회의 소성이 필요하도록 소성 전에 유약을 도포할 수 있다. 유약을 소성 후에 도포할 수 있지만 2 차 소성이 필요하다.

Claims (22)

1. 폐기 글라스를 글라스 분말로 분쇄하는 (reduce) 단계;

   상기 글라스 분말을 비수용성 유기 바인더와 함께 글라스-바인더 혼합물로 혼합하는 단계;

   상기 글라스-바인더 혼합물을 입상화된 입자로 입상화하는 단계;

   상기 입상화된 입자를 그린 세라믹 물품으로 성형하는 단계;

   상기 유기 바인더를 태우기 위하여 상기 그린 세라믹 물품을 가열하는 단계; 및

   상기 그린 세라믹 물품을 세라믹 제품으로 소결하기 위하여 상기 그린 세라믹 물품을 소성하는 단계를 포함하는, 폐기 글라스로부터의 세라믹 제품의 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 폐기 글라스를 글라스 분말로 분쇄하는 단계는,

   상기 폐기 글라스를 폭이 5 mm 보다 작은 조각으로 분쇄하는 단계;

   수분을 제거하기 위하여 상기 폐기 글라스를 건조하는 단계; 및

   상기 폐기 글라스를 폭이 0.6 mm 보다 작은 조각으로 더 분쇄하는 단계를 더 포함하는, 폐기 글라스로부터의 세라믹 제품의 제조 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 유기 바인더는 액상으로 제공되는, 폐기 글라스로부터의 세라믹 제품의 제조 방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 글라스-바인더 혼합물의 90 내지 99 wt% 는 글라스 분말로 이루어지고,

   상기 글라스-바인더 혼합물의 1 내지 10 wt% 는 유기 바인더로 이루어지는, 폐기 글라스로부터의 세라믹 제품의 제조 방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 소성 단계는 상기 그린 세라믹 물품을 700 ℃ 내지 800 ℃ 의 최대 온도로 가열하는 단계를 포함하는, 폐기 글라스로부터의 세라믹 제품의 제조 방법.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 소성 단계는 상기 세라믹 제품의 부분 결정화를 야기하는 폐기 글라스로부터의 세라믹 제품의 제조 방법.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 세라믹 제품은 타일 또는 벽돌을 포함하는, 폐기 글라스로부터의 세라믹 제품의 제조 방법.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 세라믹 제품은 매끄럽고 광택이 나는 표면을 갖는, 폐기 글라스로부터의 세라믹 제품의 제조 방법.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 세라믹 제품은 그 상부에 유약을 도포함으로써 더 가공되는, 폐기 글라스로부터의 세라믹 제품의 제조 방법.
10. 폐기 글라스를 글라스 분말로 분쇄하는 단계;

    상기 글라스 분말을 필러 (filler) 및 비수용성 유기 바인더와 함께 글라스-필러-바인더 혼합물로 혼합하는 단계;

    상기 글라스-필러-바인더 혼합물을 입상화된 입자로 입상화하는 단계;

    상기 입상화된 입자를 그린 세라믹 물품으로 성형하는 단계;

    상기 유기 바인더를 태우기 위하여 상기 그린 세라믹 물품을 가열하는 단계; 및

    상기 그린 세라믹 물품을 세라믹 제품으로 소결하기 위하여 상기 그린 세라믹 물품을 소성하는 단계를 포함하는, 폐기 글라스로부터의 세라믹 제품의 제조 방법.
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 폐기 글라스를 글라스 분말로 분쇄하는 단계는,

    상기 폐기 글라스를 폭이 5 mm 보다 작은 조각으로 분쇄하는 단계;

    수분을 제거하기 위하여 상기 폐기 글라스를 건조하는 단계; 및

    상기 폐기 글라스를 폭이 0.6 mm 보다 작은 조각으로 더 분쇄하는 단계를 더 포함하는, 폐기 글라스로부터의 세라믹 제품의 제조 방법.
12. 제 10 항에 있어서,

    상기 유기 바인더는 액상으로 제공되는, 폐기 글라스로부터의 세라믹 제품의 제조 방법.
13. 제 10 항에 있어서,

    상기 글라스-필러-바인더 혼합물의 70 내지 98.9 wt% 는 글라스 분말로 이루어지고,

    상기 글라스-필러-바인더 혼합물의 0.1 내지 20 wt% 는 필러로 이루어지며,

    상기 글라스-필러-바인더 혼합물의 1 내지 10 wt% 는 유기 바인더로 이루어지는, 폐기 글라스로부터의 세라믹 제품의 제조 방법.
14. 제 10 항에 있어서,

    상기 필러는 상기 폐기 글라스의 연화 온도 범위에서 휘발성종을 생성하는 다른 세라믹 원료와 점토를 제외한 무기물을 포함하는, 폐기 글라스로부터의 세라믹 제품의 제조 방법.
15. 제 10 항에 있어서,

    상기 필러는 무기 착색제를 포함하는, 폐기 글라스로부터의 세라믹 제품의 제조 방법.
16. 제 10 항에 있어서,

    상기 필러는 상기 세라믹 제품의 표면 텍스쳐를 거칠게 하기 위하여 첨가되는 굵은 (coarse) 크기의 입자를 포함하는, 폐기 글라스로부터의 세라믹 제품의 제조 방법.
17. 제 10 항에 있어서,

    상기 소성 단계는 상기 그린 세라믹 물품을 700 ℃ 내지 800 ℃ 의 최대 온도로 가열하는 단계를 포함하는, 폐기 글라스로부터의 세라믹 제품의 제조 방법.
18. 제 10 항에 있어서,

    상기 소성 단계는 상기 세라믹 제품의 부분 결정화를 야기하는, 폐기 글라스로부터의 세라믹 제품의 제조 방법.
19. 제 10 항에 있어서,

    상기 세라믹 제품은 타일 또는 벽돌을 포함하는, 폐기 글라스로부터의 세라믹 제품의 제조 방법.
20. 제 10 항에 있어서,

    상기 세라믹 제품은 매끄럽고 광택이 나는 표면을 갖는, 폐기 글라스로부터의 세라믹 제품의 제조 방법.
21. 제 10 항에 있어서,

    상기 세라믹 제품은 그 상부에 유약을 도포함으로써 더 처리되는, 폐기 글라스로부터의 세라믹 제품의 제조 방법.
22. 제 1 항에 있어서,

    상기 글라스-바인더 혼합물을 입상화된 입자로 입상화하는 단계 이전에 글라스-바인더 혼합물을 건조하는 단계를 더 포함하는, 폐기 글라스로부터의 세라믹 제품의 제조 방법.